JP2005005678A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、少なくとも1つの導体層を有し、該少なくとも1つの導体層に少なくとも導体路および/または少なくとも1つの抵抗が形成されている半導体素子に関する。また本発明は、この種の半導体素子の製造方法にも関する。 The present invention relates to a semiconductor device having at least one conductor layer, and at least a conductor path and / or at least one resistor formed in the at least one conductor layer. The present invention also relates to a method for manufacturing this type of semiconductor device.
導体路および抵抗を半導体素子上に形成するためには、通常はまず、導電層を該半導体素子の表面上に形成する。この導電層は、たとえばアルミニウム、ニッケル、プラチナまたは金から成る薄い金属層か、または多結晶シリコン層または単結晶シリコン層とすることができる。この導電層から、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスによって、導体路および抵抗の所望の配置構成が構造化されて取り出される。その後たとえば酸化シリコンSiO2等の絶縁体の沈着により、該配置構成は電気的に絶縁される。 In order to form a conductor path and a resistor on a semiconductor element, usually, a conductive layer is first formed on the surface of the semiconductor element. This conductive layer can be a thin metal layer made of, for example, aluminum, nickel, platinum or gold, or a polycrystalline or monocrystalline silicon layer. From this conductive layer, the desired arrangement of conductor tracks and resistors is structured and extracted by photolithography and etching processes. The arrangement is then electrically insulated, for example by depositing an insulator such as silicon oxide SiO2.
さらに経験によって、シリコン層を選択酸化する手法が知られている。このLOCOS(local oxidation of silicon)法は、たとえばMOSトランジスタを有するマイクロチップを製造する際に、フィールド酸化物領域をゲート酸化物の周辺に形成するために使用される。 Furthermore, a technique for selectively oxidizing a silicon layer is known from experience. This LOCOS (local oxidation of silicon) method is used to form a field oxide region around a gate oxide when, for example, a microchip having a MOS transistor is manufactured.
本発明の課題は、導体路および抵抗を半導体素子に形成するための新たな手段を提供することである。 An object of the present invention is to provide a new means for forming a conductor path and a resistor in a semiconductor element.
前記課題は、前記導電層を一部の領域で深達酸化(Durchoxidieren)することによって、少なくとも1つの導体路および/または少なくとも1つの抵抗を形成して、導電層の少なくとも一領域を、酸化された領域によって、該導電層の他の領域に対して電気的に絶縁することを特徴とする製造方法によって解決される。 The object is to oxidize at least one region of the conductive layer by forming at least one conductor track and / or at least one resistance by subjecting the conductive layer to partial oxidation. This is solved by a manufacturing method characterized in that the region is electrically insulated from other regions of the conductive layer.
本発明によって、導体路および抵抗路を半導体素子に形成するための新たな手段が提供される。 The present invention provides a new means for forming a conductor path and a resistance path in a semiconductor element.
本発明によれば、半導体素子の導電層が一部の領域で深達酸化されることにより、導電層の少なくとも一領域が、すなわち導体路および抵抗の配置構成が、酸化された領域によって該導電層の他の領域に対して電気的に絶縁される。 According to the present invention, the conductive layer of the semiconductor element is deeply oxidized in a part of the region, so that at least one region of the conductive layer, that is, the arrangement of the conductor path and the resistor, is formed by the oxidized region. It is electrically isolated from other areas of the layer.
本発明では、LOCOS方式は導体路および抵抗の配置構成を導電層において形成するのにも適していることが認識されている。というのも、この方式では、所期のように導電層の個々の領域が深達酸化されることにより、導電層の他の領域に対して電気的に絶縁されるからである。特に有利なのは、たとえばヒータ構造および圧電抵抗を実現するために、熱伝導性が悪い薄いメンブレン上ないしは該メンブレン内にも導体路および抵抗を形成できることである。この場合、厚い酸化物領域は有利には、メンブレンを安定させるために使用される。厚い酸化物領域によって、とりわけ熱絶縁が良好になる。 In the present invention, it is recognized that the LOCOS method is also suitable for forming a conductor path and resistor arrangement in a conductive layer. This is because, in this method, the individual regions of the conductive layer are deeply oxidized as expected, so that they are electrically insulated from other regions of the conductive layer. It is particularly advantageous that conductor tracks and resistors can be formed on or in thin membranes with poor thermal conductivity, for example in order to realize heater structures and piezoresistors. In this case, the thick oxide region is advantageously used to stabilize the membrane. A thick oxide region provides particularly good thermal insulation.
基本的に、とりわけ導電層の性質に関しては、本発明による半導体素子を実現するために種々の手段が存在する。重要なのは、導電層の材料が深達酸化可能であり、その際に得られる酸化物が良好な電気的絶縁体を形成することである。 Basically, various means exist for realizing the semiconductor device according to the invention, in particular with regard to the properties of the conductive layer. What is important is that the material of the conductive layer is capable of deep oxidation and the resulting oxide forms a good electrical insulator.
有利な変形形態では、多結晶シリコン層が導電層として使用される。多結晶シリコン層は、半導体技術から公知の手法によって非常に簡単に形成することができる。多結晶シリコン層の他に択一的に、単結晶シリコン層も導電層として使用することができる。この変形形態では、構成素子は、有利にはSOI(silicon on insulator)ウェハによって実現される。SOIウェハは、少なくとも1つの絶縁層が配置された基板から成る。絶縁層上には薄い単結晶シリコン層が設けられており、本発明の方法によって、この単結晶シリコン層に導体路および抵抗の配置構成が非常に簡単に構成される。さらにシリコン層には、選択酸化前または選択酸化後に、任意のドーピング物質濃度およびドーピング物質深度のp型および/またはn型のドーピングが施される。このことはとりわけ、抵抗の電気的な寸法決めの際に有利である。ここでは、ドーピング材料は全面積にわたって、または局所的に制限されてシリコン層に挿入される。シリコン層にドーピングするために、たとえばインプランテーションまたは熱拡散等の公知の手法を使用することもできる。 In an advantageous variant, a polycrystalline silicon layer is used as the conductive layer. The polycrystalline silicon layer can be formed very easily by a method known from semiconductor technology. In addition to the polycrystalline silicon layer, a monocrystalline silicon layer can alternatively be used as the conductive layer. In this variant, the component is advantageously realized by an SOI (silicon on insulator) wafer. An SOI wafer consists of a substrate on which at least one insulating layer is arranged. A thin single crystal silicon layer is provided on the insulating layer. By the method of the present invention, the arrangement of conductor paths and resistors is very simply configured in this single crystal silicon layer. Furthermore, the silicon layer is subjected to p-type and / or n-type doping at any doping substance concentration and doping substance depth before or after the selective oxidation. This is particularly advantageous when the resistance is electrically dimensioned. Here, the doping material is inserted into the silicon layer over the whole area or locally limited. In order to dope the silicon layer, a known technique such as implantation or thermal diffusion can be used.
金属が深達酸化可能であれば、導電層として薄い金属層も考えられる。この金属は、たとえばアルミニウムまたはチタンである。この場合、適切な金属酸化物によって導体路および抵抗の配置構成が導電層の他の領域に対して電気的に絶縁される。 If the metal is capable of deep oxidation, a thin metal layer can be considered as the conductive layer. This metal is, for example, aluminum or titanium. In this case, the conductive metal and the arrangement of the resistors are electrically insulated from the other areas of the conductive layer by suitable metal oxides.
導体路および抵抗の配置構成を本発明の半導体素子の導電層にどのように形成するかは、初期基板の材料および性質にのみ依存するのではなく、形成すべき構成素子構造ないしは半導体素子の機能にも依存する。それに相応して、本発明による方法を実施するために多数の変形形態が考えられる。重要なのは、導電層が一部の領域で深達酸化され、該導電層の少なくとも一領域が、酸化された領域によって該導電層の他の領域に対して電気的に絶縁されることである。導電層における導体路および抵抗の配置構成の定義は、有利にはマスク層によって実施される。このマスク層は、導電層上に形成されて構造化される。ここでは、導電層の酸化すべき領域は露出され、熱酸化の枠内で深達酸化される。 How the conductor path and the resistor arrangement are formed in the conductive layer of the semiconductor element of the present invention does not depend only on the material and properties of the initial substrate, but the component structure to be formed or the function of the semiconductor element Also depends on. Correspondingly, numerous variants are conceivable for carrying out the method according to the invention. What is important is that the conductive layer is deeply oxidized in some regions, and at least one region of the conductive layer is electrically insulated from other regions of the conductive layer by the oxidized region. The definition of the arrangement of conductor tracks and resistors in the conductive layer is preferably implemented by means of a mask layer. The mask layer is formed and structured on the conductive layer. Here, the region to be oxidized of the conductive layer is exposed and deeply oxidized within the thermal oxidation frame.
すでに前記で述べたように、本発明の思想を有利に構成し発展させるために、種々の手段が存在する。これらの手段は、独立請求項の以下に記載された請求項と、本発明の幾つかの実施例の、図面に基づく以下の説明とに記載されている。 As already mentioned above, various means exist to advantageously construct and develop the idea of the present invention. These means are set forth in the claims set forth below in the independent claims and in the following description of several embodiments of the invention based on the drawings.
図1〜4に示された半導体素子を製造するための初期基板として、酸化されたシリコンウェハ1を使用した。酸化シリコン層2上には窒化シリコン層3が沈着され、該窒化シリコン層3上にはポリシリコン層4が沈着されている。窒化シリコン層3およびポリシリコン層4は、図示された各半導体素子の導電層を形成している。このポリシリコン層4は、半導体素子の機能に依存して、局所的または全面的にp型および/またはn型ドーピングされる。さらにインプランテーションまたは拡散によって、異なるドーピング物質および異なるドーピング物質濃度を有する領域を形成することもできる。構成素子構造に幾らか発生する応力は、たとえば酸化物、窒化物、SiC等から成る適切な付加的なカバー層によって調整することができる。このことはここでは図示されていない。
An oxidized silicon wafer 1 was used as an initial substrate for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. A
しかし、図1〜4に示された半導体素子を、SOIウェハをベースとして製造することもできる。SOIウェハには単結晶シリコン層が設けられている。この単結晶シリコン層は窒化シリコン層Si3N4および/または酸化シリコン層SiO2によって、シリコン基板に対して絶縁されている。SOIウェハを使用する際には、単結晶シリコン層が導電層として使用される。この単結晶シリコン層はポリシリコン層4と同等に扱われる。このことは以下でより詳細に説明される。
However, the semiconductor element shown in FIGS. 1 to 4 can also be manufactured based on an SOI wafer. A single crystal silicon layer is provided on the SOI wafer. This single crystal silicon layer is insulated from the silicon substrate by the silicon nitride layer Si 3 N 4 and / or the silicon oxide layer SiO 2 . When an SOI wafer is used, a single crystal silicon layer is used as a conductive layer. This single crystal silicon layer is handled in the same manner as the
ポリシリコン層4上には、たとえば熱酸化によって、薄い酸化シリコン層SiO25が形成されている。その後、この酸化シリコン層SiO25上に窒化シリコン層Si3N46がマスク層として沈着されている。マスク層6は、形成すべき導電路および抵抗の配置構成に相応して構造化される。その際には、ポリシリコン層4で酸化すべき領域が露出される。この露出された領域は熱酸化の枠内で表層酸化されている。ここでは、酸化条件、とりわけ酸化持続時間は、ポリシリコン層4が完全に深達酸化されるように選択されている。窒化シリコン層3はここでは、酸化ストップ層として使用される。この酸化ステップで、ポリシリコン層4に表層酸化された領域7が形成され、この領域によって導体路が、ポリシリコン層4の他の領域に対して電気的に絶縁される。酸化シリコン層5は、まず第一に、応力補償のためにマスク層6の下方で使用され、処理の要求に応じて省略することもできる。ポリシリコン層4を一部の領域で深達酸化する酸化ステップ中に、マスク層6の窒化シリコン上にも酸化物層9が形成されている。この酸化物層9はReox層と称される。
A thin silicon
アルミニウムボンディングランド10とポリシリコン層4に形成された導体路8との電気的な接続は、図1に示された半導体素子ではコンタクト孔11を介して行われる。このコンタクト孔11は後に、Reox層9、マスク層6および酸化シリコン層5に形成されている。図2に示された半導体素子では、Reox層9およびマスク層6が除去された後に、コンタクト孔11が酸化シリコン層5に形成されている。
The electrical connection between the
最後に、たとえばKOHによって空洞13をウェハ裏面にエッチングによって形成することにより、メンブレン12が露出される。このようにして、加熱導体構造の領域において熱流出が小さくなる。窒化シリコン層3は、空洞13のエッチング形成時にエッチングストップ層として使用される。このようにして、定義された目標厚さを有するメンブレンを非常に良好に形成することができる。したがって窒化シリコン層3は、ポリシリコン層4を局所的に深達酸化する際の酸化ストップ層の機能と、空洞13をエッチング形成する際のエッチングストップ層の機能と両方引き継ぐ。さらに、窒化シリコン層3を介してメンブレン応力が調整される。
Finally, the
図1および2に示された半導体素子は、ガスセンサにおいて使用するために構成することができる。このことは図3および4に示されている。このためには、メンブレン12上にプラチナ層15が形成されている。プラチナ層の代わりに、別の金属層を形成することもできる。このプラチナ層15から個々のPt導体路16が構造化されて取り出され、メンブレン12の加熱導体路8上に配置される。プラチナ層15上には、酸化シリコン、窒化シリコンおよび/または酸化窒化シリコンから成る絶縁層17が沈着されており、この絶縁層17は加熱導体構造の領域において、部分的にPt導体路16上では除去されている。その代わり、加熱導体構造およびPt導体路16上にはガス感知層18が取り付けられている。ガスが加えられると、このガス感応層18の電気的な抵抗が変化し、このことはPt導体路16によって検出される。加熱導体構造によって加熱することにより、ガス感応層の反応性が向上される。
The semiconductor element shown in FIGS. 1 and 2 can be configured for use in a gas sensor. This is illustrated in FIGS. 3 and 4. For this purpose, a
図5は、Reox層および酸化マスクが除去された半導体素子を示している。この半導体素子は、フローセンサにおいて使用するために構想されている。ここでも、メンブレン12内の表層酸化された領域7上にPt導体路16が形成されている。表層酸化される領域7の大きさは、任意に選択することができる。しかしここでは、絶縁層17はコンタクト孔11以外の半導体素子の全面積にわたって延在している。Pt導体路16はここでは、メンブレン12において温度を発生し、温度分布を測定するために使用される。温度分布の対称性はメンブレン12上のガス流によって変化されるので、温度分布を検出することにより、流速および流動方向を予測することができる。
FIG. 5 shows the semiconductor element from which the Reox layer and the oxidation mask have been removed. This semiconductor element is envisioned for use in a flow sensor. Again, the
最後に、導電層を選択酸化するための本発明の方法によって、たとえばIR光源、フレネルレンズ、マイクロフィルタ、サーモパイル等の別の機能を有する構成素子も製造できることにも留意されたい。 Finally, it should be noted that components having other functions, such as IR light sources, Fresnel lenses, microfilters, thermopiles, etc., can also be produced by the method of the present invention for selectively oxidizing a conductive layer.
1 シリコンウェハ
2 酸化シリコン層
3 窒化シリコン層‐酸化およびエッチングのストップ層
4 ポリシリコン層
5 酸化シリコン層
6 窒化シリコン層‐マスク層/酸化マスク
7 表層酸化された領域
8 導体路/加熱導体路/加熱導体構造
9 Reox層
10 アルミニウムボンディングランド
11 コンタクト孔
12 メンブレン
13 空洞
14 ‐
15 プラチナ層
16 Pt導体路
17 絶縁層
18 ガス感応層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
15
Claims (12)
前記少なくとも1つの導電層(4)には、少なくとも1つの導体路(8)および/または少なくとも1つの抵抗が構成されている形式のものにおいて、
導体路(8)および/または抵抗は、前記導電層(4)内の酸化された領域(7)によって、該導電層(4)の他の領域に対して電気的に絶縁されていることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor element having at least one conductive layer (4),
In the type in which the at least one conductive layer (4) comprises at least one conductor track (8) and / or at least one resistor,
The conductor track (8) and / or the resistor is electrically insulated from other regions of the conductive layer (4) by the oxidized region (7) in the conductive layer (4). A featured semiconductor element.
前記半導体材料は、たとえばゲルマニウム、SiGe、SiCまたはダイアモンド状の炭素である、請求項1記載の半導体素子。 The conductive layer is made of a semiconductor material;
The semiconductor element according to claim 1, wherein the semiconductor material is, for example, germanium, SiGe, SiC, or diamond-like carbon.
前記金属は、たとえばアルミニウムまたはチタンである、請求項1記載の半導体素子。 The conductive layer is made of metal;
The semiconductor element according to claim 1, wherein the metal is, for example, aluminum or titanium.
前記少なくとも1つの導電層(4)に、少なくとも1つの導体路(8)および/または少なくとも1つの抵抗を形成する形式の方法において、
前記導電層(4)を一部の領域で深達酸化することによって、少なくとも1つの導体路(8)および/または少なくとも1つの抵抗を形成して、導電層(4)の少なくとも一領域を、酸化された領域(7)によって、該導電層(4)の他の領域に対して電気的に絶縁することを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device having at least one conductive layer (4), comprising:
In a method of the form of forming at least one conductor track (8) and / or at least one resistor in the at least one conductive layer (4),
Deep oxidation of the conductive layer (4) in a partial region forms at least one conductor track (8) and / or at least one resistor, so that at least one region of the conductive layer (4) A manufacturing method characterized in that the oxidized region (7) is electrically insulated from other regions of the conductive layer (4).
前記マスク層(6)を構造化し、その際には、該導電層(4)の酸化すべき領域を露出して、該導電層(4)の前記領域を熱酸化の枠内で深達酸化する、請求項7記載の製造方法。 Forming a mask layer (6) on the conductive layer (4);
The mask layer (6) is structured, in which case the region to be oxidized of the conductive layer (4) is exposed and the region of the conductive layer (4) is deep-oxidized within the frame of thermal oxidation. The manufacturing method according to claim 7.
窒化シリコン層(Si3N4)(6)をマスク層として使用する、請求項8記載の方法。 A conductive layer is formed by a monocrystalline silicon layer (4) or a polycrystalline silicon layer (4);
Using the silicon nitride layer (Si 3 N 4) (6 ) as a mask layer, The method of claim 8.
前記メンブレン(12)は加熱導体構造(8)を有し、
該半導体構成素子の構造を、シリコン基板(1)、金属基板、ガラス基板またはセラミック基板に構成し、
前記シリコン基板(1)、金属基板、ガラス基板またはセラミック基板は、エッチングストップ層(2および/または3)を有し、
前記エッチングストップ層(2および/または3)上に、導電性の単結晶シリコン層または多結晶シリコン層(4)を構成する形式の製造方法において、
前記導電性のシリコン層(4)上にマスク層(6)を取り付け、
前記マスク層(6)を、該導電性のシリコン層(4)に形成すべき加熱導体構造(8)に相応して構造化し、その際には、前記導電性のシリコン層(4)の表面領域を露出し、
前記導電性のシリコン層(4)を、露出された表面領域に基づいて深達酸化して、加熱導体構造(8)を前記導電性のシリコン層(4)の他の領域に対して電気的に絶縁することを特徴とする製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor component having a membrane (12),
The membrane (12) has a heating conductor structure (8);
The structure of the semiconductor component is configured as a silicon substrate (1), a metal substrate, a glass substrate, or a ceramic substrate,
The silicon substrate (1), metal substrate, glass substrate or ceramic substrate has an etching stop layer (2 and / or 3);
In a manufacturing method of a type that forms a conductive single crystal silicon layer or a polycrystalline silicon layer (4) on the etching stop layer (2 and / or 3),
A mask layer (6) is mounted on the conductive silicon layer (4),
The mask layer (6) is structured in accordance with the heating conductor structure (8) to be formed on the conductive silicon layer (4), in which case the surface of the conductive silicon layer (4) Exposing the area,
The conductive silicon layer (4) is deep-oxidized based on the exposed surface area to electrically connect the heating conductor structure (8) to other areas of the conductive silicon layer (4). A manufacturing method characterized by insulating.
前記導電性のシリコン層(4)と対向する該シリコン基板(1)の側から、加熱導体構造(8)の領域において、空洞(13)を該シリコン基板(1)にエッチングによって形成し、その際には、エッチングストップ層(2および/または3)によってエッチングプロセスを制限する、請求項10記載の製造方法。 The component structure is configured on a silicon substrate (1),
A cavity (13) is formed in the silicon substrate (1) by etching in the region of the heating conductor structure (8) from the side of the silicon substrate (1) facing the conductive silicon layer (4), 11. The method according to claim 10, wherein the etching process is limited by an etching stop layer (2 and / or 3).
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